建立我國的中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)想

建立我國的中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)想


吳詩其 胡劍浩 劉鋼


  摘要 本文介紹了支持移動業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)的中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r,提出了實現(xiàn)我國中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)想。

  關(guān)鍵詞 衛(wèi)星通信 中、低軌道衛(wèi)星 衛(wèi)星移動和固定業(yè)務(wù)


1 引言


  在衛(wèi)星移動通信領(lǐng)域,中、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)占有主導(dǎo)地位。而對于固定衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)(FSS),傳統(tǒng)上幾乎都用同步軌道衛(wèi)星(GSO)系統(tǒng)來支持。然而,近年的研究表明,為支持交互式多媒體業(yè)務(wù)和Internet業(yè)務(wù),非同步軌道衛(wèi)星(NGSO)的FSS寬帶系統(tǒng)在降低系統(tǒng)成本和改善服務(wù)質(zhì)量方面具有優(yōu)勢。本文在介紹衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)的中、低軌系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r之后,提出了加強(qiáng)我國中、低軌道衛(wèi)星通信研究的建議,以及實現(xiàn)我國中、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)想。


2 衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)


  衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要用于支持位于地面移動通信網(wǎng)服務(wù)區(qū)以外用戶的移動通信業(yè)務(wù),其用戶為速率較低的個人終端,這種終端應(yīng)當(dāng)是輕便和低成本的。衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)還用來為地面通信網(wǎng)未能覆蓋的農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)提供基本的通信服務(wù)(話音和低速數(shù)據(jù),這對發(fā)展中國家更具有重要意義),為此也需要地面終端輕便和低成本。使用戶終端輕便、低成本的有效方法是采用中、低軌衛(wèi)星的系統(tǒng),以減少鏈路傳播損耗,降低對終端EIRP(等效全向輻射功率)和G/T(接收機(jī)品質(zhì)因數(shù))的要求。因此,中、低軌系統(tǒng)在衛(wèi)星移動通信的發(fā)展過程中已成為主流。1998年發(fā)射的低軌商用衛(wèi)星153顆,預(yù)計1999和2000年分別為174和225顆。在本世紀(jì)最后幾年將建成的一些重要的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)都是中、低軌系統(tǒng),如表1所示。預(yù)計在1999年系統(tǒng)啟用階段全球移動用戶有45萬,而5年后即到2004年將增加至700萬[1]。


表1 本世紀(jì)建成的主要中、低軌系統(tǒng)






































系統(tǒng)名稱 軌道高度

(km)
衛(wèi)星數(shù)目 服務(wù)日期 主要公司
銥(Iridium) 765 66 1998年 Motorola
全球星(Globalstar) 1389 48 1998年 Qualcomm
軌道通信(Orbcomm) 785 28 1998年 OSC
中軌系統(tǒng)(ICO) 10 354 10 2000年 Inmarsat








3 固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)

  目前,FSS幾乎都由同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持。近年來,Internet應(yīng)用的爆炸性增長,交互式多媒體業(yè)務(wù)量的迅速增加,需要寬帶的FSS系統(tǒng)來支持。研究表明,對于功率和頻帶受限的衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說,如能放棄鏈路損耗大和傳播延時長的GSO系統(tǒng),而采用NGSO寬帶系統(tǒng),對于改善服務(wù)質(zhì)量和降低成本都十分有利。比如,對于交互式多媒體業(yè)務(wù),對系統(tǒng)延時有一定限制。

  由NGSO FSS寬帶系統(tǒng)構(gòu)成的空間高速網(wǎng)并不與地面光纖網(wǎng)競爭,而是互為補充。衛(wèi)星網(wǎng)主要用于低業(yè)務(wù)密度地區(qū),在那里無法做到高速數(shù)字用戶線(或光纖)到家(或辦公室),而衛(wèi)星網(wǎng)可支持用戶對因特網(wǎng)的高速瀏覽、電視會議、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及HDTV傳輸?shù)取τ谶@類用戶,終端設(shè)備的低成本也是一個重要問題。如果采用軌道高度為800
km的低軌衛(wèi)星系統(tǒng),在天線尺寸和其他設(shè)備參數(shù)不變的情況下,其數(shù)據(jù)傳輸速率可比GSO系統(tǒng)提高2 000倍,而傳播延時約10
ms。


4 建立我國新一代的衛(wèi)星通信系統(tǒng)


4.1 中、低軌系統(tǒng)的優(yōu)點和存在的問題

  發(fā)展中、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng),對我國將在下列三個方面發(fā)揮作用:提供移動通信業(yè)務(wù);為農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)提供基本的通信業(yè)務(wù)(話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù));為(我國已經(jīng)頗多的)行業(yè)專用網(wǎng)(國外中、低軌高速網(wǎng)的最大潛在用戶是跨國公司)和低業(yè)務(wù)密度地區(qū)用戶提供多媒體和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。我國是一個經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,而各地區(qū)發(fā)展又不平衡,同時發(fā)展?jié)摿艽蟮膰。這一國情決定了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的上述三種服務(wù)對我國都十分重要。從長遠(yuǎn)的觀點來看,建立我國新一代的由中、低軌衛(wèi)星和同步衛(wèi)星組成的綜合系統(tǒng)確有必要。

  中、低軌系統(tǒng)的衛(wèi)星與地面有相對運動,因此系統(tǒng)必須由多顆衛(wèi)星構(gòu)成的星座來完成對服務(wù)區(qū)的連續(xù)覆蓋。傳統(tǒng)的中、低軌系統(tǒng)通常是對全球或某一緯度范圍內(nèi)地區(qū)的連續(xù)覆蓋,需要的衛(wèi)星數(shù)目較多,空間段投資大,這是中、低軌系統(tǒng)難于用作區(qū)域性系統(tǒng)(比如只為我國服務(wù)的系統(tǒng))的關(guān)鍵所在。

4.2 區(qū)域性系統(tǒng)星座

  如果采用適當(dāng)?shù)男亲O(shè)計方法,可實現(xiàn)非同步軌道星座對我國的連續(xù)覆蓋(但不能實現(xiàn)對全球的連續(xù)覆蓋),或者能在每天的特定時段對我國進(jìn)行連續(xù)覆蓋。這類系統(tǒng)可由中軌衛(wèi)星組成,具有支持寬帶多媒體通信的能力。由于系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)目少,因此所需的系統(tǒng)投資大大低于全球性系統(tǒng)。

  我們設(shè)計了兩種星座方案[2],在表2中列出了對我國進(jìn)行連續(xù)覆蓋的一種區(qū)域性系統(tǒng)衛(wèi)星星座參數(shù)。系統(tǒng)由5顆中軌衛(wèi)星組成,軌道平面傾角31°。位于我國的用戶對衛(wèi)星的最小仰角為20°,平均仰角與用戶位置有關(guān),其最小值不低于40°。


表2 我國非同步軌道區(qū)域性星座方案之一













































衛(wèi)星 高度(km) 傾角(度) λN(度) ω(度)
1 2 0525 31 180 93
2 20 525 31 108 237
3 20 525 31 36 21
4 20 525 31 324 165
5 20 525 31 252 309







  該星座不僅對我國提供連續(xù)覆蓋,而且能對美國和非洲進(jìn)行連續(xù)覆蓋。如果這一星座用于構(gòu)成3個區(qū)域性系統(tǒng),每一系統(tǒng)只承擔(dān)空間段費用的三分之一。而這種區(qū)域性星座的衛(wèi)星數(shù)目往往只有全球星座的一半,因此,每一區(qū)域性系統(tǒng)的空間段投資大約只有全球系統(tǒng)的1/6,與以同步衛(wèi)星支持的區(qū)域性系統(tǒng)的費用相當(dāng),甚至更低些。而中軌系統(tǒng)有較好的仰角特性,從而減少了系統(tǒng)余量。同時,鏈路傳播損耗和延時也較小,對提高改善服務(wù)質(zhì)量和降低地面終端設(shè)備成本都十分有利。

  通常,每天的通信業(yè)務(wù)量都集中于當(dāng)?shù)貢r間的白天。比如,對于話音業(yè)務(wù)而言,一般集中在當(dāng)?shù)貢r間的07:00~23:00。因此,有另一個可供選擇的時限星座方案:該星座每天僅在16
h的時段內(nèi)對我國提供連續(xù)覆蓋,其主要參數(shù)列于表3。該星座的軌道平面傾角為42°,最小仰角20°,平均仰角的最小值在40°以上。
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表3 我國非同步軌道區(qū)域性星座方案之二




















































衛(wèi)星 高度(km) 傾角(度) λN(度) ω(度)
1 10 535 42 180 270
2 10 535 42 205 172
3 10 535 42 230 74
4 10 535 42 255 336
5 10 535 42 280 238
6 10 535 42 305 140





  我國已建立了較為完善的同步衛(wèi)星通信系統(tǒng),如果它與中軌系統(tǒng)組成綜合系統(tǒng),可滿足移動通信、邊遠(yuǎn)地區(qū)基本通信、寬帶數(shù)據(jù)通信以及高速連網(wǎng)等要求。如果采用時限星座方案,在中軌系統(tǒng)不能覆蓋的低業(yè)務(wù)時段內(nèi),可由同步衛(wèi)星來支持這些較小的業(yè)務(wù)量,此時,同步衛(wèi)星系統(tǒng)也有足夠的資源(如功率)來改善因中軌系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至同步系統(tǒng)時傳播損耗增加的影響。

4.3 我國應(yīng)當(dāng)如何起步

  發(fā)展我國新一代衛(wèi)星移動通信的第一階段,可利用低軌小衛(wèi)星,以數(shù)據(jù)存儲/轉(zhuǎn)發(fā)方式建立我國的全球數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(它所需投資較。。

  從我國的情況來看,建立由我國控制的全球數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是必要的,這對我國駐外機(jī)構(gòu)、企業(yè)、船隊等都有實用價值,也可在發(fā)展中國家通信落后地區(qū)開拓市場。從國內(nèi)的需求來看,我國通信網(wǎng)尚未覆蓋的邊遠(yuǎn)地區(qū)、礦山、野外作業(yè)和遠(yuǎn)程醫(yī)療、教育以及對某些行業(yè)(如水文、地震無人值守站數(shù)據(jù)的采集、傳輸)等均有良好的應(yīng)用前景。

  更重要的是小衛(wèi)星可為發(fā)展我國非同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供試驗平臺。由于小衛(wèi)星系統(tǒng)的通信體制可通過地面控制站對星載軟件重新加載而加以改變,因此,可利用小衛(wèi)星系統(tǒng)對其他電信業(yè)務(wù)和通信體制進(jìn)行試驗,有利于對中、低衛(wèi)星移動通信的關(guān)鍵技術(shù)和通信體制的研究,對發(fā)展我國新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)有重要意義。

  第二階段將建立中軌系統(tǒng),并以采用時限區(qū)域性星座為宜。為了降低風(fēng)險和減少投資,初期星座的“時限”宜短一些,比如只在每天的8:00~18:00的時段內(nèi)覆蓋我國。這種系統(tǒng)能支持一天中的大部分通信的業(yè)務(wù)量,以話音業(yè)務(wù)為例,該時段內(nèi)的業(yè)務(wù)量為全天業(yè)務(wù)量的81%。而此時系統(tǒng)所用的衛(wèi)星數(shù)目較少,如果衛(wèi)星高度約10
000 km,則3顆衛(wèi)星可望滿足要求。以國外推出的全球中軌系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)(約12顆)和投資(約20多億美元)來估算,建立我國“時限”區(qū)域性中軌系統(tǒng)所需投資,只相當(dāng)于我國目前正在建立的同步衛(wèi)星系統(tǒng)APMT的投資。

  至于是否擴(kuò)大星座的“時限”,或者拓展為連續(xù)覆蓋的區(qū)域性系統(tǒng),應(yīng)可視市場需求和技術(shù)的發(fā)展而定。

face="宋體">作者單位:電子科技大學(xué)信息所 成都610054

   
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